基于AVR單片機的空氣凈化器控制系統

姜建國 田金艷 安昊盈

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.遼河油田曙光采油廠，遼寧 盤錦 124000)

工業發展致使全球空氣污染越來越嚴重。擁有潔凈、清新、自然舒適的工作和生活環境已經成為人們的迫切需求[1]。在此，筆者基于AVR單片機設計空氣凈化器控制系統[2，3]，進行室內微量甲醛氣體的檢測，并由單片機對采樣數據進行處理。給出了系統電源、交流電機、紫光燈和負離子發生裝置及液晶顯示等模塊、其他輔助電路和部分軟件流程。

基于AVR單片機的空氣凈化器控制系統的核心硬件是由控制電路和驅動電路構成的主電路[4]。控制電路由AVR控制電路、液晶顯示電路和蜂鳴器報警電路組成；驅動電路主要由電源控制電路、紫光燈和負離子發生裝置和相應的保護電路構成。空氣凈化器控制系統的硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 空氣凈化器控制系統硬件結構框圖

1.1 控制電路

空氣凈化器控制電路的核心是基于哈佛結構的高速RISC微控制器Atmega128，具有速度快、價格低、可靠性高、I/O口線驅動能力強及片內集成外設資源豐富等特點。Atmega128單片機設有兩個具有比較和捕捉功能的16位定時/計數器，兩個具有互不干擾的預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器，兩路8位脈沖寬度的調制電路(PWM)，8路單端或差分輸入的10位模數轉換電路(ADC)，面向字節的兩線接口和兩個可編程串行口(USART)，其SPI串行接口可工作于主/從機模式下，還有獨立于片內振蕩器的可編程看門狗定時器模塊[5]。單片機的最小系統電路是能使單片機的工作所需的最少外圍電路，AVR單片機的 最小系統電路如圖2所示。

圖2 AVR單片機最小系統電路

1.2 液晶顯示電路

空氣凈化器控制系統由單片機驅動并控制SMG12864K型液晶顯示模塊。液晶顯示模塊控制電路如圖3所示，該模塊有20個引腳，所需直流驅動電源電壓5V，與單片機并用。單片機的PG0～PG2口作為液晶控制端，控制數據的使能端和讀寫操作并控制液晶開關和顯示[6]；PA0～PA7控制顯示數據的傳輸。

圖3 液晶顯示模塊控制電路

1.3 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器報警電路如圖4所示。系統或電路出現故障后通過程序自動給單片機的PC0端口輸出高電平，PC0收到高電平時三極管高電平正向導通，由5V電源給蜂鳴器供電，蜂鳴器聲響報警同時發光二極管輔助報警。故障排除或者RESET后，PC0口的輸出為低電平，報警電路失電，蜂鳴器報警停止。

圖4 蜂鳴器報警電路

1.4 電源控制模塊電路

電源模塊為單片機、傳感器交流電機、紫光燈和負離子發生裝置提供電源。紫光燈和負離子發生裝置的供電電壓220V(AC)，直接由市電提供；電機采用110V(AC)供電電壓，選用變比為2∶1的E型220-110單相交流變壓器(額定功率30W、干式自然冷卻、三繞組、心式E型鐵心、效率78%)由220V(AC)變換得到；單片機的供電電壓5V(DC)，由交流電壓整流穩壓得到；傳感器模塊和液晶顯示模塊的供電電壓5V(DC)，可由單片機I/O口直接輸出供電。

要獲得穩定的5V(DC)電壓，第一步將110V電壓經過交流變壓器變為5V(AC)；第二步用單相橋式全波整流電路將5V(AC)變成有效值為5V的連續電壓，波形為上半波電壓；第三步通過直流穩壓電路將整流電路輸出的電壓穩定為較理想的直流電壓。交流轉直流轉壓器的工作原理如圖5所示。

圖5 交流轉直流轉壓器的工作原理

1.5 紫光燈和負離子發生裝置

筆者選用15W一體紫光燈，無需外接鎮流器，額定工作電壓220V(AC)，主波峰值365nm。紫光燈管的控制模塊較簡單，當啟動空氣凈化機時紫光燈點亮，此后單片機根據傳感器檢測空氣中有毒氣體的濃度，通過單片機的I/O PF4端口輸出電平控制燈的亮滅。發光二極管作用于光敏二極管，共同起到電氣隔離保護作用。此處選用W-10型聚碳酸酯負離子發生器[7]，功率25W。負離子發生器和紫光燈共用控制電路，其結構如圖6所示。

圖6 紫光燈和負離子發生器的結構簡圖

1.6 保護電路

當系統受到相對高壓時，首先報警，同時切斷控制系統電源。開關斷開后發光二極管繼續導通，直到人工處理故障。之后需恢復系統正常工作，同時手動閉合上述斷路開關，此過壓保護的工作原理如圖7所示，為了更好地保護系統的安全可靠運行，在接入公共交流電時要確保良好的接地。

圖7 過壓保護工作原理

默認狀態下，如果電源提供的電壓低于4.5V就無法滿足控制系統的正常工作，保護電路也會斷電。欠壓時，4.5V干電池使發光二極管導通并發光報警，同時導通光敏二極管，開關受到磁力斷開。人工手動排除故障后系統恢復正常工作。

2 軟件部分

2.1 主程序

主程序主要完成系統的初始化，包括I/O引腳功能、系統時鐘、外設時鐘、外部中斷和內部中斷、A/D采樣時間周期、顯示器初始化、事件管理器等的設置，以及循環等待中斷。

2.2 數據采集子程序

傳感器模塊利用甲醛傳感器將甲醛含量V轉換為電壓模擬信號，由于單片機的I/O口只能識別數字量，因此在把信號送入單片機接口前需經放大和濾波并由模數轉換模塊處理后送入單片機[8，9]。數據采集子程序的工作流程如圖8所示。

圖8 數據采集子程序的工作流程

2.3 電機控制子程序

電機控制子程序包括電機驅動子程序(圖9)和電機調速子程序兩部分(圖10)[10，11]。電機驅動子程序通過調整占空比將電機轉速分為優、良、中、差擋位，分別對應甲醛含量的取值范圍(圖8)。當甲醛含量高時，電機處于低速擋位，便于紫光燈和負離子發生裝置充分殺菌。

圖9 電機驅動子程序流程

圖10 電機調速子程序流程

2.4 紫光燈和負離子發生子程序

如圖11所示，整個系統上電，紫光燈和負離子發生器模塊初始化后確保紫光燈和負離子發生器得電，當空氣中的不良氣體濃度達到“差”級別時，即刻進行殺菌消毒；當傳感器檢測到的空氣質量為“優”時，單片機發出高電平信號，紫光燈和負離子發生器停止工作。再次啟動空氣凈化器時，紫光燈和負離子發生器循環工作。

圖11 紫光燈和負離子工作流程

2.5 報警和保護子程序

由于單片機的供電電壓為5V(DC)，電機的供電電壓為110V(AC)，空氣凈化器在工作過程中如果誤操作容易燒毀單片機。為此設計保護電路模塊對低壓模塊進行系統上電保護。報警和保護模塊投入運行，一旦系統出現異常，保護模塊就切斷被保護對象的電源，報警裝置發出報警信號。

3 結束語

基于AVR單片機的空氣凈化器控制系統，可以對室內空氣中的甲醛氣體進行檢測，由單片機處理采樣數據，針對不同含量的甲醛，對紫光燈和負離子發生裝置與交流電機進行驅動和控制，從而達到殺毒滅菌的目的。

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